1973 präsentierte Robert Metcalfe seinen Vorgesetzten erstmals seine Ideen für ein Vernetzungsprotokoll namens Ethernet. Über zehn Jahre später, 1985, verabschiedete die IEEE den ersten Ethernet-Standard und die Vernetzung in Büros und Rechenzentren begann. War ursprünglich nur ein LAN-Standard für Übertragungsraten zwischen 1 und 20 Mbit/s geplant, entwickelte die Arbeitsgruppe 802 der IEEE diesen Standard über die Jahre hinweg weiter, vor allem mit Blick auf höhere Datenraten. Der letzte Stand ist eine Übertragungsgeschwindigkeit von 400 Gbit/s, und die IEEE hat eine Study Group gegründet, die die Möglichkeiten für noch höhere Datenraten eruieren soll.

Nicht nur in der Informationstechnik, auch in der Industrieautomatisierung sollte der Standard genutzt werden. Die durchgängige Vernetzung vom Sensor bis in die Cloud ist das erklärte Ziel von Industrie 4.0 und dem Industrial Internet of Things (IIoT). Doch um dies zu erreichen, galt es, Hürden zu überwinden: Das Standard-Ethernet war nicht hart echtzeitfähig, der verwendete RJ45-Steckverbinder eignete sich nicht für die rauen Umgebungsbedingungen im Feld, und für das Einbinden einfacher Sensoren mit niedrigen Datenraten war das Standard-Ethernet mit seinen vier Leiterpaaren überdimensioniert und daher viel zu teuer. Doch diese ‚Geburtsfehler‘ wurden beseitigt, und mittlerweile gibt es diverse echtzeitfähige Ethernet-Varianten – beispielsweise Ethernet/IP, Ethercat, Profinet und TSN.

Um die rauen Umgebungsbedingungen im Feld – Schock, Vibration, Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und Temperaturzyklen – zu adressieren, haben verschiedene Anbieter an den Steckverbindern gearbeitet. Einerseits wurde der RJ45 entsprechend nachgerüstet, um den Umwelteinflüssen trotzen zu können, andererseits wurden industrie-taugliche Steckverbinder-Standards wie der M12 so umgearbeitet, dass er Ethernet-fähig wurde.

Einfache Sensoren anbinden

Die Anbindung einfacher Sensoren wurde allerdings bis vor kurzem nicht adressiert. Denn: Für einen einfachen Präsenzmelder in einem Waschraum eines Bürogebäude etwa oder einen Temperatursensor, der in einer weitläufigen verfahrenstechnischen Anlage nur wenige Daten über weite Strecken übermitteln muss, ist Standard-Ethernet zu teuer. In solchen Fällen wurde bislang ein klassischer Feldbus oder eine 4-20-mA-Stromschleife eingesetzt. Dies erforderte ein zusätzliches Gateway im Schaltschrank, um solche einfachen Sensoren durchgängig mit der Cloud zu verbinden. An dieser Stelle tritt Single Pair Ethernet (SPE) auf den Plan.

Spezielle Spezifikationen für SPE

Während Standard-Ethernet immer eine feste Übertragungslänge von maximal 100 m hat, hat die IEEE für SPE mehrere Spezifikationen verabschiedet, um die speziellen Anforderungen in der Industrie- und Gebäudeautomatisierung zu adressieren. Für den bereits angesprochenen Temperatursensor in einer weitläufigen verfahrenstechnischen Anlage gibt es die IEEE 802.3cg, die eine Vollduplex-Datenkommunikation mit bis zu 10 Mbit/s bei Kabellängen bis zu 1000 m zulässt. Mit der IEEE 802.3bw lassen sich bereits bis zu 100 Mbit/s mit Kabeln von 50 m Länge übertragen. Dieser Standard zielt auf Hochgeschwindigkeitssensoren in industriellen und einigen Automobil-Anwendungen ab. Eine noch höhere Datenrate von bis zu 1000 Mbit/s bei einer Kabellänge von bis zu 15 m ist mit der IEEE 802.3bp möglich.

Bei dieser Kabellänge ist SPE für einige industrielle Sensoranwendungen einsetzbar, eignet sich aber insbesondere für High-Definition-Video sowie für kleine Flugzeuge und kommerzielle Automobil-Anwendungen, bei denen Highspeed-Sensordaten über eine relativ geringe Distanz übertragen werden müssen.

Auch an Power over Ethernet hat die IEEE bei der Ausgestaltung von SPE gedacht. Dort heißt dieses Feature allerdings nicht PoE, sondern PoDL (Power over DataLine). Auch wenn ein PoDL-Injector nach der IEEE 802.3bu bis zu 50 W liefern kann, steht am versorgten Sensor oder Endpunkt wegen der Verluste im Kabel unter Umständen deutlich weniger zur Verfügung. Im Extremfall kommen bei einer Kabellänge von 1000 m unter Verwendung von 14AWG-Draht bei 60 V gerade noch 13,53 W am Endpunkt an.

Ist mehr Leistung nötig, gibt es bei SPE die Möglichkeit, Power und Daten hybrid zu übertragen. Eine M8-Schnittstelle, wie sie Harting vorschlägt, kann mit einem SPE-Kontaktpaar und zwei zusätzlichen Power-Kontakten bis zu 60 V/8 A übertragen. Ein neuer M12-Stecker von TE Connectivity kann laut Firmenaussage bis zu 11 kW über ein einziges Kabel bereitstellen.

Normen bei den Steckgesichtern

Während es beim Übertragungsprotokoll keine konkurrierende Normen gibt, herrscht bei den Steckverbindern für Single Pair Ethernet ein intensiver Wettbewerb über das Steckgesicht – insgesamt sieben verschiedene Steckgesichter buhlen derzeit um die Gunst der Anwender:

SPE-Stecker nach IEC 63171-2 in Schutzart IP20 (oben) und nach IEC 63171-5 in IP65/67 (unten).

© Weidmüller

• IEC 63171-1: SPE-Stecker von CommScope basierend auf einer LC-Verriegelung mit Schutzart IP20 für Schaltschrank und Gebäudeverkabelung
• IEC 63171-2: SPE-Stecker von Reichle & De-Massari für den Einsatz in Büroumgebungen und IP20-Anwendungen
• IEC 63171-3: SPE-Stecker von Siemon basierend auf einem Paar Tera-Stecker mit Schutzart IP20. Dieser wurde mittlerweile zurückgezogen
• IEC 63171-4: SPE-Stecker von BKS für IP20-Anwendungen
• IEC 63171-5: SPE-Stecker von Phoenix Contact und Weidmüller, basierend auf dem Normenentwurf IEC 63171-2, jedoch Schutzart IP65/67
• IEC 63171-6: SPE-Stecker von Harting, Hirose und TE Connectivity für die Schutzarten IP20 und IP65/67 sowie hybride M8-Schnittstelle mit einem SPE-Kontaktpaar und zwei zusätzlichen Power-Kontakten für bis zu 60 V/8 A
• IEC 63171-7: hybride M12-Schnittstelle von TE Connectivity mit Schutzart IP65/67, die neben dem SPE-Adernpaar für Daten noch bis zu vier Power-Kontakte plus die Funktionserde bietet.

Für die Industrie- und Anlagenautomatisierung sind vor allem die Steckgesichter nach IEC 63171-5 und IEC 63171-6 von Interesse. Um diese beiden unterschiedlichen Steckgesichter zu promoten, haben sich zwei Konsortien gebildet. Während das SPE Industrial Partner Network das Steckgesicht nach IEC 63171-6 bewirbt, versucht die Single Pair Ethernet System Alliance das Gleiche mit den Steckgesichtern nach IEC 63171-2 und IEC 63171-5.

Für die Telekommunikation und die Unternorm IEC 63171-1 hat die TIA (Telecommunications Industry Association) das Single Pair Ethernet Consortium (SPEC) ins Leben gerufen. Die TIA befindet sich an der Schnittstelle von Netzwerk- und Kommunikationstechnologien und möchte dem SPEC die Einführung und Akzeptanz der nächsten Generation von Konnektivität in der Netzwerktechnik und der Gebäudeautomatisierung beschleunigen. Kürzlich hat das TIA SPEC bekannt gegeben, mit der Single Pair Ethernet System Alliance zu kooperieren.

Das Steckgesicht im Wettbewerb

Bei der Frage nach dem Steckgesicht für die Industrie- und Anlagenautomatisierung herrscht intensiver Wettbewerb zwischen dem SPE Industrial Partner Network und der Single Pair Ethernet System Alliance.

Das SPE Industrial Partner Network verweist gern darauf, dass das Steckgesicht nach IEC 63171-6 auf einem vollständigen und bereits veröffentlichten Normendokument mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen basiert, was auf die konkurrierenden Lösungen nach IEC 63171-2/-5 im Moment noch nicht zutreffe. Zudem sei die Lösung nach IEC 63171-6 auch bei ihrem Übergang auf die Leiterplatte vollständig symmetrisch. Da die Leitungslängen in der Buchse exakt gleich lang sind, dürften deren HF-Eigenschaften bei der differenziellen Signalisierung bei SPE ein wenig besser sein als die konkurrierenden Lösungen nach IEC 63171-2/-5. Allerdings dürften Signalunterschiede bis zu 600 MHz zu vernachlässigen sein, und auch der PHY dürfte nicht exakt hinter dem Steckverbinder liegen. Im Zweifelsfall lassen sich Laufzeitunterschiede bei Lösungen nach IEC 63171-2/-5 über ein sorgfältiges Leiterplattenlayout kompensieren.